Forskere får indsigt i genbrugsprocesser for nukleart og elektronisk affald

Kemiens Hawaii og Alaska, lanthanider og actinider er de grundstoffer, der altid vises separat fra hovedblokken i det periodiske system. Selvom de er opdelt fra de mere almindelige elementer, de er vigtige metaller til anvendelser som atomkraft og magneter, der bruges i vindmøller og elbiler.

Affaldsprodukter fra disse teknologier er gennemgående og langlivede, og de kan give betydelige problemer for miljøet og økonomien. Lanthanider og aktinider blandes ofte sammen i atomaffald, og elektronisk affald indeholder flere lanthanidelementer. Ved at adskille metallerne fra affaldet kan de genanvendes, reducere behovet for dyr og invasiv minedrift.

Forskere ønsker at forstå separationsprocesser for at gøre dem mere effektive. Forskere ved U.S. Department of Energy's (DOE) Argonne National Laboratory brugte røntgenstråler til at studere en separationsproces kaldet opløsningsmiddelekstraktion, og de forklarede, hvordan tilsætning af forskellige salte i ekstraktionsprocessen kan ændre, hvilke lanthanider der udvindes fra affaldet. At forstå, hvordan man forbedrer lanthanidekstraktioner, vil også hjælpe videnskabsmænd med at adskille lanthanider fra aktinider.

"Denne forskning gav vigtig indsigt, der vil muliggøre effektiv og energieffektiv adskillelse, " sagde Argonne kemiker Ahmet Uysal. "Forståelse af denne proces vil hjælpe med oprensning af kritiske materialer til industrielle anvendelser."

Forskere begynder separationsprocessen ved at opløse materialet i en stærk syre. Så blander de syren, som indeholder vand, med olie og lad blandingen sætte sig. Da olien adskilles fra syren og vandet, molekyler kaldet ekstraktionsmidler transporterer de ønskede metaller fra vandet til olien, klargøring af metallet til genbrug.

Målet er at målrette specifikke metaller til at udvinde, men da lanthanider og actinider opfører sig meget ens, processen skal gentages hundredvis af gange for effektivt at adskille dem. For at gøre udvinding mulig, metallerne rejser ikke alene – de ledsages af vand og tilsatte salte. Disse salte binder sig til metallerne og hjælper med at trække dem ind i olien ved at arbejde sammen med ekstraktionsmolekylerne.

Ekstraherende molekyler ligner vandmænd, med et hoved der elsker vand og en hale der elsker olie. Når olie og vand adskilles i blandingen, ekstraktionsmidler danner en grænseflade mellem de to. Ekstraktionsmolekylerne vikler sig derefter rundt om metallerne, salte og vand til at transportere metallerne over grænsen.

I dette studie, forskerne undersøgte tilsætningen af ​​salte kaldet nitrat og thiocyanat for at forstå, hvordan de interagerer forskelligt med ekstraktionsmolekyler og metaller. Specifikt, de undersøgte det faktum, at nitrat adskiller lettere lanthanider i olien, hvorimod thiocyanat adskiller tungere lanthanider.

"Når metallerne bliver tungere, effektiviteten falder for separation i nitratblandinger, men stiger for thiocyanatblandinger, " sagde Uysal. "Det er som et skifte, der vender disse tendenser, og hvis du kører processerne ryg mod ryg, det hjælper med adskillelse, fordi du kan skiftevis trække de lette og tunge lanthanider ud."

Årsagen til denne forskel er et åbent spørgsmål, som Argonne-teamet hjalp med at besvare gennem røntgenspredning og spektroskopiteknikker.

Forskerne brugte Sector 12 ID-C beamline ved Advanced Photon Source (APS), en DOE Office of Science brugerfacilitet i Argonne, at udføre et røntgenspredningsforsøg for grundstoffer, der spænder fra de letteste til de tungeste lanthanider. Ved at bruge røntgenstrålerne til at bestemme molekylernes adfærd i ekstremt små skalaer, de observerede forskelle i deres organisation i både nitrat- og thiocyanatblandinger.

De opdagede, at thiocyanat virker ved at forstyrre vandstrukturen ved grænsefladen, lader tungere lanthanider lettere komme ind i olien. nitrat, på den anden side, passer godt ind i den eksisterende struktur af vand ved grænsefladen og forårsager klyngning, letter overførslen af ​​for det meste lettere lanthanider. "Disse resultater tyder på, at lanthanider transporteres gennem forskellige mekanismer i nærvær af nitrat eller thiocyanat, sagde Uysal.

"Brugen af ​​den strålende fotonkilde leveret af APS og en unik væskeoverflade røntgenteknik var afgørende for studiet af grænsestrukturer mellem ekstraktionsmidlet og metaller, " sagde Wei Bu, en videnskabsmand ved ChemMatCARS (Chemistry and Materials Center for Advanced Radiation Sources) beamline ved APS. Forskere bruger denne strålelinje til at studere materialer på atomær skala, herunder grænseflader mellem forskellige væsker.

Holdet brugte også spektroskopiteknikker til at studere strukturerne i den fase af processen, hvor molekylerne er blevet ekstraheret i olien. Ud fra disse data, de udviklede en model af processen, der beskriver røntgenspredningsdataene væsentligt bedre end eksisterende modeller.

"Tidligere modeller krævede justering af visse tilsyneladende vilkårlige parametre for at passe til dataene, " sagde Srikanth Nayak, den første forfatter på undersøgelsen, "men med vores nye tilgang, hver parameter har en fysisk betydning, og det hjælper os med at få mening i dataene og til at drage mere brugbare konklusioner ud fra dem."

"Det er vigtigt at forstå hvert trin i denne proces, og vores tilgang er unik på den måde, at vi studerede strukturerne i olien og grænsefladestrukturerne på en komplementær måde, " sagde Uysal. Dette kræver et team med forskellig videnskabelig baggrund. F.eks. studieforfatter Kaitlin Lovering, nu på Langara College i Canada, er ekspert i laserspektroskopi, og Nayak har specialiseret sig i røntgenspredningsforsøg. Begge videnskabsmænd var en afgørende del af holdets succes, og deres baggrund afspejler forskningens tværfaglige karakter.

Et papir om den nye model af udvindingsprocessen, "Ionspecifik klyngning af metal-amfifile komplekser i sjældne jordarters separationer, " blev offentliggjort i Nanoskala . Et andet papir, der beskriver grænsefladestrukturerne under ekstraktion, "Rollen af ​​specifikke ioneffekter i iontransport:tilfældet med nitrat og thiocyanat, " blev offentliggjort i Journal of Physical Chemistry C .